CN105180926B - 同步轨道空间物体姿态稳定方式的判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同步轨道空间物体姿态稳定方式的判定方法，尤其涉及一种基于光电观测的同步轨道空间物体姿态稳定方式的判定方法。本发明的同步轨道空间物体姿态稳定方式的判定方法包括如下步骤：获取所述空间物体的光度信息的步骤，其中，采用光电观测手段获得所述空间物体的光度信息；对获得的观测数据的数据时长和数据点数进行检查的步骤；对观测数据进行平滑拟合的步骤；以及对所述空间物体的姿态稳定方式进行判定的步骤。

Description

同步轨道空间物体姿态稳定方式的判定方法

技术领域

本发明涉及一种同步轨道空间物体姿态稳定方式的判定方法，尤其涉及一种基于光电观测的同步轨道空间物体姿态稳定方式的判定方法。

背景技术

对于例如卫星等的空间物体而言，其姿态稳定方式是一个重要特征，在对空间物体进行设计、观测、控制等时，经常需要判定空间物体的姿态稳定方式。以现代卫星为例，其姿态稳定方式主要是自旋稳定和三轴稳定，三轴稳定方式能够使空间物体维持着一个标准的定向方式，而自旋稳定方式能够使空间物体围绕着中心轴做高速自旋。不同的姿态稳定方式会导致卫星的外形结构、天线指向设计和轨控策略不同。

一般采用雷达手段对空间物体的姿态稳定方式进行判定。但是当前的雷达探测能力只有数千公里，对于超出雷达探测能力范围的空间物体，雷达探测手段的准确性会显著降低。因此，对于处于中高轨的同步轨道空间物体而言，由于同步轨道距离地球表面可能会达到数万公里的距离，远远超出了雷达手段的探测能力范围，因而需要采用新的技术手段来进行姿态稳定方式的判定。

发明内容

本发明的目的是提供一种同步轨道空间物体姿态稳定方式的判定方法，该判定方法基于光电观测来获取同步轨道空间物体的光度信息。由于空间物体的外表面能够反射光(例如，太阳光)，所以空间物体在不同的姿态稳定方式下表现出来的光度特性存在差别。利用这种差别，能够实现对空间物体姿态稳定方式的判定。

本发明的同步轨道空间物体姿态稳定方式的判定方法包括如下步骤：

获取所述空间物体的光度信息的步骤，其中，采用光电观测手段获得所述空间物体的光度信息；

对获得的观测数据的数据时长和数据点数进行检查的步骤；

对观测数据进行平滑拟合的步骤；以及

对所述空间物体的姿态稳定方式进行判定的步骤。

本发明中，采用了同步轨道空间物体的光度信息作为后续的各种处理手段的基础数据，并根据数据处理的最终结果来判定同步轨道空间物体的姿态稳定方式。由于可以通过例如望远镜等采集空间物体的光学信息(例如，光电子)，并通过例如CCD(电荷耦合元件)将采集到的光学信息转换为含有光度信息的电信号形式的图像数据，所以可以避免使用雷达手段。望远镜的观测距离非常远，尤其适合用来观测距离地球表面数万公里高度的处于中高轨的例如卫星等的同步轨道空间物体。此外，望远镜的观测精度足够高，因此能够通过适当的数据处理手段，以望远镜的观测数据为基础，获得高精度的同步轨道空间物体的光度信息。

另外，雷达在工作时需要主动发出一定频率的电磁波，因而这种探测行为很容易被发现，不适合用来进行隐蔽探测。而采用望远镜进行观测是一种被动接收光照的方式，并不主动发出探测信号，因而采用本发明的检测手段具有很强的隐蔽性。

本发明的技术手段对硬件设备没有特殊要求，不需要太复杂的改动，就能够很容易地与现有天文台或观测站的光电探测设备相结合。因而本发明能够快速推广应用至现有的地基光电探测设备上。

附图说明

图1是本发明的同步轨道空间物体姿态稳定方式的判定方法的流程图。

具体实施方式

以下将参照附图详细说明本发明的示例性实施方式。在本发明中，以现代卫星作为观测目标的示例，但这不是限制性的，包括现代卫星在内的任何具有不同的姿态稳定方式的同步轨道空间物体(以下简称为空间物体)都可以作为本发明的观测目标。

对于空间物体而言，在不同的姿态稳定方式下，其表现出来的光度特性存在差别。具体而言，在自旋稳定方式下，由于空间物体围绕着中心轴高速自转，会造成表面亮度的平均化效应。因此，空间物体在自旋稳定方式下的表面亮度值的变化幅度要比在三轴稳定方式下的表面亮度值的变化幅度小。基于这种区别，本发明的发明人构思了本发明的技术方案。通过以下参照实施方式说明的本发明的技术方案，可以通过时间-视星等曲线上的差别来区分这两种不同的姿态稳定方式。

本实施方式提供一种同步轨道空间物体姿态稳定方式的判定方法，如图1所示，该判定方法包括四个步骤：获取空间物体的光度信息、数据时长和数据点数检查、对观测数据进行平滑拟合以及判断空间物体的姿态稳定方式。由于本发明的判定方法采用空间物体的光度信息作为基础数据来源，因此，本发明的判定方法可以结合望远镜和CCD等设备进行，而不必使用传统的雷达探测手段。因此，本发明特别适合于对处于中高轨的同步轨道空间物体的姿态稳定方式进行判定。

以下，将分别对图1所示的这四个步骤进行详细说明。

步骤一：获取空间物体的光度信息

在步骤一中，通过光电观测手段来获取作为观测目标的空间物体的光度信息。这种光电观测手段所借助的设备主要是望远镜(例如，天文观测台中常见的天文望远镜)和图像记录设备(例如，CCD)。其中，望远镜用于捕捉空间物体外表面反射的太阳光等(例如，捕捉光电子)并形成光学像，例如CCD等的图像记录设备用于将望远镜所形成的光学像转换成电信号形式的图像数据并进行存储。在合适的条件下，望远镜能够观测到距离地球表面数万公里高度的卫星的清晰图像。通过CCD转换得到电信号形式的图像数据，从而便于采用其他处理设备(例如，电脑)对数据进行进一步处理。

在步骤一中，主要的目的是通过望远镜获得空间物体的图像，并对空间物体的图像进行进一步的处理，从而获得高精度的空间物体的光度信息。具体而言，步骤一可以包括以下内容。

(1)拍摄光度标定辅助图像

这里的光度标定辅助图像包括本底图像、平场图像和标准星图像。选取已知亮恒星进行观测测试，确认望远镜指向正常、CCD工作正常后，拍摄本底图像和平场图像，然后拍摄标准星图像。

本底图像是反映检测设备在没有检测对象的情况下的自身特性的图像，主要反映检测设备自身的噪声。平场图像需要在后述的星等测量之前、使用标准光源或者天光背景获得。平场图像能够体现光学系统、快门效应和CCD的大尺度不均匀性。另外，本实施方式中，选取在空间物体天区附近的LANDOLT星，拍摄标准星图像。

(2)拍摄空间物体的图像

将观测目标的精密星历表输入望远镜的控制系统，根据精密星历表引导望远镜跟踪锁定空间物体进入视场中心，望远镜跟踪锁定观测目标，CCD开始连续曝光。根据天光背景亮度调整合适的曝光时间长度和延时，根据观测目标亮度确定设置CCD合适的增益(Gain)值，根据观测需求和观测弧段长度确定合适的读出速度后使CCD连续曝光，进行时序测光。

(3)对拍摄到的空间物体的图像进行校正，以便提高图像的信噪比

在空间物体图像中，要分析的是有可能直接来自观测目标(经过A/D转换)的光电子。但图像中的光电子，实际上是以下几项来源之和：本底噪声，即CCD本身电路的电流；天光噪声，即大气层反射、散射和发射到CCD的光电子；读出噪声，即在读出过程中，线缆中产生的和A/D转换的电子噪声；以及观测目标源，即来自观测目标(空间物体)的光电子。

为了得到反映空间物体的状态信息的高精度信号，必须将图像中的上述噪声成分去掉。换言之，为了得到高精度信号，必须进行本底改正和平场改正。具体地，本底改正是指，将平场图像、标准星图像和含有观测目标的原始图像分别减去本底图像。平场改正是指，通过从标准星图像和原始图像分别除去经过了本底改正后的平场图像。平场改正可以消除上述噪声因素造成的大尺度不均匀性。经过了本底改正和平场改正之后的标准星图像和原始图像用于后续各步骤中的计算和处理。

(4)孔径测光，证认图像中的观测目标，计算目标的半高全宽

孔径的选择一般都依赖于FWHM(星象的半高全宽)。因为星象的轮廓理论上为高斯轮廓，所以FWHM与高斯函数中Sigma的关系为：

即FWHM＝2.35482×Sigma。

根据一维高斯函数的性质，若测光孔径为1倍Sigma，则包含68.26％的能量；若测光孔径为3倍Sigma，则包含99.73％能量；若测光孔径为5倍Sigma，则包含99.9999％的能量。

通过上述孔径测光手段，能够证认图像中的观测目标，即确认图像中的观测目标的存在与否，并且确认图像中的观测目标就是期望的观测目标而非其他物体。

(5)计算空间物体的仪器星等

根据空间物体的半高全宽，选择天光孔径大小，去除天光背景对空间物体测光的影响，得到空间物体的仪器星等(即大气层内光学系统测得的亮度)。一般如果观测目标足够亮，测光孔径可取2倍FWHM，若观测目标较暗可适当减小测光孔径，以便获得更高的信噪比。

(6)流量定标(基于仪器星等计算空间物体的视星等)

这里，流量定标是指：将拍摄的LANDOLT星作为较差测光(differentialphotometry)的标准星，并通过计算转换得到空间物体的视星等(即空间物体在大气层外的亮度)。

流量定标的过程为：首先从星表库中选择标准星，在观测中测量标准星在大气层内的亮度，然后利用较差测光的方法计算空间物体在大气层外的亮度。LANDOLT标准星的精度达到0.01星等，因此观测的标准星一般都在LANDOLT标准星表里选取。

较差测光的关系式如下：

u＝U+C_u+β_u(U-B)+κ′_uX_u+κ″_u(U-B)

b＝B+C_b+β_b(B-V)+κ′_bX_b+κ″_b(B-V)

v＝V+C_v+β_v(B-V)+κ′_vX_v+κ″_v(B-V)(1)

r＝R+C_r+β_r(V-R)+κ′_rX_r+κ″_r(V-R)

i＝I+C_i+β_i(V-I)+κ′_iX_i+κ″_i(V-I)

其中，u、b、v、r和i为仪器星等，U、B、V、R和I为视星等，C_u、C_b、C_v、C_r和C_i为各波段的常数项，X_u、X_b、X_v、X_r和X_i为各波段大气质量，β_u、β_b、β_v、β_r和β_i为系统转换系数，κ′_u、κ′_b、κ′_v、κ′_r和κ′_i为各波段大气主消光系数，κ″_u、κ″_b、κ″_v、κ″_r和κ″_i为大气二次消光系数。大气二次消光系数一般很小，拟和时通常将这些大气二次消光系数置为零。

较差测光的过程为：首先利用标准星的仪器星等和视星等(从LANDOLT标准星表中读取)计算出关系式(1)中相关的常系数项，然后利用该关系式(1)和空间物体的仪器星等计算空间物体的视星等。

步骤二至步骤四的主要目的是对通过步骤一获得的数据进行不同的处理，以便得到最终的判定结果。

步骤二：数据时长和数据点数检查

在步骤二中，对获得的观测数据进行数据时长和数据点数的检查。步骤二中的检查条件为：条件一，数据的时间跨度不小于5小时；条件二，数据点的分布情况为在整个5小时内分布近似均匀并且不少于300个数据点。

只有同时满足这两个条件的数据才能进入下一步骤的处理。注意，由于观测时难免会受到干扰，并且在后述的步骤三中会对数据进行进一步的处理，剔除数据中的野值点，所以在条件二中并不需要数据在整个5小时内完全均匀地分布，允许存在一定程度的数据点分布不均匀。换言之，数据点在5小时内分布近似均匀即可。

步骤三：对观测数据进行平滑拟合

采用拉普拉斯拟合算法剔除坏点，进行数据平滑处理。剔除数据野值点。

步骤四：判断空间物体的姿态稳定方式

按照如下子步骤进行空间物体的姿态稳定方式的判定。

子步骤一：以60个数据点为一数据段，通过线性拟合计算出时间-视星等曲线的分段斜率。

子步骤二：对于上述分段斜率，将斜率大于等于0.3的数据段记为三轴，将斜率小于0.3的数据段记为自旋。

子步骤三：如果所有数据段中大于60％的数据段被记为三轴则判定所述空间物体的姿态稳定方式为三轴方式，如果所有数据段中大于60％的数据段被记为自旋则判定所述空间物体的姿态稳定方式为自旋方式。

通过上述步骤一至步骤四，可以判定空间物体的姿态稳定方式。但是，在某些情况下，例如设备出现故障或者作为观测目标的空间物体的姿态并不稳定时，可能会出现所有数据段中被记为三轴或自旋的数据段均未大于60％的现象。此时，可以从步骤一重新进行对空间物体的姿态稳定方式的判定，也可以放弃本次判定。

本发明的技术方案具有探测距离远的突出优点。例如，可以探测到距离地球赤道上空36000多公里的16星等的同步轨道空间物体。

此外，本发明对采集到的数据能够进行快速处理，从开始采集数据到得出判定结果仅需要数小时的时间，因此可以迅速判定空间物体的姿态稳定方式。

从以上实施方式的内容可知，本发明的技术手段对硬件设备没有特殊要求。当将本发明的判定方法应用至现有的地基光电探测设备上时，并不需要对现有硬件设备进行复杂的改动。因而本发明具有能够快速推广的优点。

虽然已经参照示例性实施方式说明了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施方式。本领域技术人员容易理解，在权利要求书的基础上，在不背离本发明的主旨和精神的情况下，可以进行各种变型和等同替换。因此，权利要求书的范围应符合最宽泛的解释，以包含所有的变型、等同结构和功能。

Claims (7)

1.一种同步轨道空间物体姿态稳定方式的判定方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取所述空间物体的光度信息的步骤，其中，采用光电观测手段获得所述空间物体的光度信息；

对获得的观测数据的数据时长和数据点数进行检查的步骤，在该步骤中按照如下条件判断并选择合适的观测数据：条件一：数据的时间跨度不小于5小时；条件二：数据点的分布情况为在整个5小时内分布近似均匀并且不少于300个数据点；

对观测数据进行平滑拟合的步骤，在该步骤中采用拉普拉斯拟合算法剔除坏点，进行数据平滑处理；以及

对所述空间物体的姿态稳定方式进行判定的步骤，在该步骤中按照如下子步骤进行所述空间物体的姿态稳定方式的判定：

子步骤一：以60个数据点为一数据段，以线性拟合计算时间-视星等曲线的分段斜率；

子步骤二：对于上述分段斜率，将斜率大于等于0.3的数据段记为三轴，将斜率小于0.3的数据段记为自旋；以及

子步骤三：如果所有数据段中大于60％的数据段被记为三轴则判定所述空间物体的姿态稳定方式为三轴方式，如果所有数据段中大于60％的数据段被记为自旋则判定所述空间物体的姿态稳定方式为自旋方式。

2.根据权利要求1所述的同步轨道空间物体姿态稳定方式的判定方法，其特征在于，在获取所述空间物体的光度信息的步骤中，所述光电观测手段包括：

拍摄光度标定辅助图像；

拍摄所述空间物体的图像；

对拍摄到的所述空间物体的图像进行校正，以便提高图像的信噪比；

对校正后的所述空间物体的图像中的作为观测目标的所述空间物体进行证认，计算所述空间物体的半高全宽；

计算所述空间物体的仪器星等；以及

基于所述仪器星等计算所述空间物体的视星等。

3.根据权利要求2所述的同步轨道空间物体姿态稳定方式的判定方法，其特征在于，所述光度标定辅助图像包括本底图像、平场图像和标准星图像。

4.根据权利要求3所述的同步轨道空间物体姿态稳定方式的判定方法，其特征在于，选取在空间物体天区附近的LANDOLT星，拍摄所述标准星图像。

5.根据权利要求2所述的同步轨道空间物体姿态稳定方式的判定方法，其特征在于，借助于孔径测光手段，对作为观测目标的所述空间物体进行证认。

6.根据权利要求3所述的同步轨道空间物体姿态稳定方式的判定方法，其特征在于，在基于仪器星等计算所述空间物体的视星等的过程中，将拍摄的LANDOLT星作为较差测光的标准星，并通过如下对应关系计算所述空间物体的视星等：

u＝U+C_u+β_u(U-B)+κ'_uX_u+κ″_u(U-B)

b＝B+C_b+β_b(B-V)+κ'_bX_b+κ″_b(B-V)

v＝V+C_v+β_v(B-V)+κ'_vX_v+κ″_v(B-V)

r＝R+C_r+β_r(V-R)+κ'_rX_r+κ″_r(V-R)

i＝I+C_i+β_i(V-I)+κ′_iX_i+κ″_i(V-I)

其中，u、b、v、r和i为仪器星等，U、B、V、R和I为视星等，C_u、C_b、C_v、C_r和C_i为各波段的常数项，X_u、X_b、X_v、X_r和X_i为各波段大气质量，β_u、β_b、β_v、β_r和β_i为系统转换系数，κ′_u、κ′_b、κ′_v、κ′_r和κ′_i为各波段大气主消光系数，κ″_u、κ″_b、κ″_v、κ″_r和κ″_i为大气二次消光系数。

7.根据权利要求1所述的同步轨道空间物体姿态稳定方式的判定方法，其特征在于，在所述子步骤三中，如果所有数据段中被记为三轴或自旋的数据段均未大于60％，则重新进行对所述空间物体的姿态稳定方式的判定或者放弃本次判定。